Beam Physics 2001@Spring-8

タングステン単結晶を用いた陽電子源の開発Ⅱ－ KEK 8-GeV Linacにおける基礎実験 －発表者： 笹原和俊
東京都立大学大学院 理学研究科

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研究組織笹原和俊， 浜津良輔
穴見昌三， 榎本收志， 古川和朗，柿原和久，紙谷琢哉，
小川雄二郎， 大沢哲， 大越隆夫，諏訪田剛…（A）
奥野英城…（B）
梅森健成， 藤田貴弘， 吉田勝英（C）
V.Ababiy， A.P.Potylitsyn， I.E.Vnukov…（D）

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加速器と高強度陽電子
素粒子標準模型を超える物理を目指して…
21世紀の高エネルギー実験には、現在よりもさらに高エネルギー、高エネルギー 高強度の加速器が必要
高強度
電子・陽電子衝突型加速器
精密実験の役割を担う電子・陽電子衝突型加速器
にとって、信号の統計精度を上げるために、ルミノシティーの増強は最重要課題の1つの増強⇒ 強いては、陽電子の高強度化！
Cf.
KEK Bファクトリー： 5.5×1033 cm-2 s-1 （2001年12月現在）
次世代リニアコライダー： > 1034 cm-2 s-1

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次世代リニアコライダー計画（Snowmass 2001）

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次世代リニアコライダーの陽電子源（Snowmass 2001）
Facilities

TargetThickness

Flux

(X0)

e+/s

Peak
Average
Normalized
EnergyPower
Acceptance
Deposition Absorption
(J/g)
(kW)
(mrad)

Drive
Beam

SLC

W 75Re25

6

4.8×1012

30

5

0.01

e-

JLC

W 75Re25

62×1014

140

49

0.027

e-

JLC，pol

W 75Re25

0.5

1×1014

13

0.5

0.06

ComptonPhotons

CLIC

W 75Re25

4.5

1×1014

65

22

0.027

e-

NLC

W 75Re25

4

1.8×1014

40*

16*

0.045

e-

TESLA

Ti Alloy

0.4

2.8×1014

222

5

0.048

Undulator
Photons* Energy deposition and absorbed power in each of 3 targets⇒ 熱に強く、かつ熱に強く、かつ高効率、かつ高効率の標的を！
高効率の標的を！

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陽電子生成（素過程）
光子が原子核のクーロンポテンシャルを通過するときに起こる
電子・陽電子対生成
全断面積：
σ pair = (Bethe - Heitler formula)Z2∝ 2
mZ : 標的原子の電荷
m : 電子（陽電子）の質量

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加速器の陽電子源
重金属標的に電子ビームを照射してできる電磁カスケードシャワー（制動放射 ⇄ 対生成）中の陽電子を後段の収束系で捕獲

Cf. KEK Linac の標的は14mm厚（=4X０）のタングステン（W）

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単結晶標的
タングステン単結晶を陽電子生成用標的として使用⇒ 陽電子生成効率を上げる !
原理提唱：
原理提唱
1989年，R.Chehab et al. （Orsay Report LAL-RT 89-01,(1989)）
タングステン単結晶からのチャネリング放射を利用する陽電子
チャネリング放射
生成用標的を提案
原理検証実験：原理検証実験
80,1437,(1998)）
1996年，K.Yoshida et al. （Phys.Rev.Lett.,80
80
KEK-田無分室の1.2-GeVの電子シンクロトロンで実験⇒ 陽電子収量の増大を確認

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タングステン単結晶
体心立方格子
原子番号： Z = 74
<111>軸 ⇒ 電子ビーム入射方向（∵結晶の軸ポテンシャルが強い）
結晶軸内の原子間距離： 2.74Å
放射長（非結晶の場合）： 3.5X０ (mm)(by R.Hamatsu)

実験で使用したＷ単結晶のMosaicity
Crystal Thickness(mm) FWHM, Mosaicity(mrad)
2.2
< 1.5
5.3
< 0.4
9.0
< 0.5

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理論的背景Ⅰ ～ 相対論的電子と結晶電場の相互作用
チャネリング放射 と コヒーレント制動放射

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理論的背景Ⅱ ～ 高エネルギー光子と結晶電場の相互作用
コヒーレント電子・陽電子対生成

γ線を結晶軸と平行に入射⇓
電子・陽電子対生成の確率増大

Belkacem A et al,
Phys.Rev.Lett. 58 1196,(1987)

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具体的方法（a） １つの結晶内で放射と対生成（b） 結晶で放射を起こし、後方の非結晶で対生成

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本研究の目的Bファクトリーや次世代リニアコライダーの陽電子源を目指して…
タングステン単結晶を使用する高強度陽電子源の可能性を実験的に検証
系統的な測定▶ 陽電子生成率▶ 陽電子収量の各種依存性
入射電子エネルギー依存、運動量依存、標的厚依存▶ 非結晶標的との比較 etc.
シミュレーションコードの開発

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KEK 8-GeV Linacでの実験
実施年月

内 容
KEK 8-GeV Linacでの実験スタート
2000,9月 W単結晶（2.2mm）とＷ単結晶（2.2mm）+W非結晶（5，10mm）の測定⇒ 陽電子収量の増大を確認
W単結晶（9mm） 、真空チェンバー 、Xステージを導入
W単結晶（2.2mm）、 W単結晶（9.0mm）の測定
2001,4月⇒ 真空での測定が可能に⇒ 定量的測定の知見を深める
W単結晶（5.3mm）を導入、標的ホルダーの改良
W単結晶（2.2、5.3、9.0mm）の測定
2001,9月⇒ 系統的なデータ取得⇒ 単結晶標的と非結晶標的との比較

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実験の全体図Beam Physics 2001@Spring-8

セットアップの写真（前方）Beam Physics 2001@Spring-8

セットアップの写真（後方）

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標的とホルダータングステン単結晶（Wc）:
2.2, 5.3, 9.0 mm
タングステン非結晶（Wa）:
3.0 ～ 25.3 mm
標的ホルダーには100μmの蛍光性フィルム（デマルケスト）を添付 ⇒ 入射ビームの位置や形状をモニターで監視Beam Physics 2001@Spring-8

ゴニオメータ－
パルスモーターによる
A，H，V，X の4軸の精密
回転、移動
手動及びRS-232Cインターフェイス
によるPC制御が可
DAQシステムと連動

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ゴニオメータ－
パルスモーターによる
A，H，V，X の4軸の精密
回転、移動
手動及びRS-232Cインターフェイス
によるPC制御が可
DAQシステムと連動

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Ｘステージと階段状標的
階段状に厚さを変えた非結晶標的をXステージに搭載⇓
X軸方向に動かして、短時間に標的厚依存のデータを取得可

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回路図

CAMAC、ゴニオメーター、XステージはPCで制御

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チェレンコフカウンターのシグナル（陽電子の数） ∝ （チェレンコフカウンターのパルス波高の積分値）

ルーサイトチェレンコフカウンター

鉛ガラスチェレンコフカウンター

パルス幅： 7 ns （FWHM）

8 ns （FWHM）

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実験の条件
入射電子ビーム
エネルギー：
強度：
繰り返し：
バンチ幅：

8 GeV
0.2 nC/bunch (～109 e-)
2 Hz
10 ps

陽電子生成用標的
W単結晶（Wc）： <111>軸2.2 mm，5.3mm，9.0 mm
W非結晶（Wa）： 3.0～25.3 mm (0.9Ｘ０～7.2X０)

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検出系のアクセプタンス
検出系（スペクトロメーター，検出器）
が検出可能な陽電子の放出角度と運動量広がりの大きさ：δPδΩ = ∆P∆Ω
Positron Momentum
Pe + （MeV/c）
10
15
20

N1
N0

Acceptance×10 -4 （MeV/c・Sterad.）2.47±0.07
3.80±0.10
4.81±0.12

0 ≤θ≤ 0.08， 0 ≤φ≤2π，0.8 P0≤ Pe+ ≤1.2P0の一様分布で陽電子を発生、検出Beam Physics 2001@Spring-8

解析方法
実験データの各点は測定の平均値： x ± δxn は測定回数で、
1 ( Raw Data) − ( Background ) − ( Pedestal )x= ∑( Bunched Beam Current )
n n

δx =

σ
n

バックグラウンドとペデスタルの補正
ビーム電流値で規格化⇒ バンチあたりの電流変動をなくす

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単結晶標的のデータ- 内 容 ロッキングカーブ： Wc（2.2），Wc（5.3mm），Wc（9.0mm）
ロッキングカーブのピーク幅
エンハンスメント
陽電子収量の運動量依存単結晶のOff-Axisと非結晶標的の比較

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ロッキングカーブ（単結晶標的）
Wc（2.2mm）; Pe＋=20MeV/cBeam Physics 2001@Spring-8

ロッキングカーブ（単結晶標的）
Wc（5.3mm），Wc（9.0mm）; Pe＋=20MeV/cBeam Physics 2001@Spring-8

ロッキングカーブのピーク幅

Cf. Lindhard角(＠8-GeV)： ψc ～ 0.43 mrad

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エンハンスメント
定義： タングステン単結晶<111>軸がビーム軸と一致（On-Axis）する場合と軸から十分外れた（Off-Axis)
場合の陽電子生成率の比Beam Physics 2001@Spring-8

陽電子収量の運動量、標的依存（異なる運動量どうしを比較するためにアクセプタンスで補正）Beam Physics 2001@Spring-8

単結晶のOff‐Axisと非結晶
Ｑ. 本当に、単結晶のＯｆｆ‐Ａｘｉｓと非結晶は同じ陽電子収量を与えるか？

Ａ. 誤差の範囲内で陽電子収量は一致。

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組み合わせ型標的のデータ－ 内 容 －
ロッキングカーブ： Wc（2.2mm）+Wa（5, 10mm）
Wc（9.0mm）+Wa（2, 4mm）
エンハンスメントBeam Physics 2001@Spring-8

ロッキングカーブ（組み合わせ型標的）Wc（2.2mm）+Wa（5, 10mm）; Pe＋=20MeV/c（HVの違いのため縦軸の比較はできない）

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ロッキングカーブ（組み合わせ型標的）Wc（9.0mm）+Wa（2, 4mm）; Pe＋=20MeV/cBeam Physics 2001@Spring-8

エンハンスメント
組み合わせ型標的（Wc+Wa）のエンハンスメントは単結晶標的ほど大きくなかった
Target (mm)Enhancement
Wc + Wa Total
2.2 + 5.0
7.2
1.9±0.1
2.2 + 10.0 12.2
1.2±0.1
9.0 + 2.0 11.0
1.3±0.1
9.0 + 4.0 13.0
1.2±0.1

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陽電子生成率： Pe＋=20MeV/cBeam Physics 2001@Spring-8

陽電子生成率： Pe＋=10, 15MeV/c

Cf．KEK Linacで使用している標的： 14mm厚のWa

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8-GeV Linacでの実験の結果
単結晶標的
 エンハンスメント： 2.2-Wc > 5.3-Wc > 9.0-Wc
 陽電子収量：
2.2-Wc < 5.3-Wc < 9.0-Wc
 ピーク幅、陽電子収量： 明確な運動量依存性はみられなかった
 非結晶標的との比較： 1.2～1.3倍 （cf. 9mmWc, 14mmWa）
組み合わせ型標的
 単結晶標的ほどのエンハスメントはなかった
 HVの異なるデータ間で比較ができる測定はできていないBeam Physics 2001@Spring-8

再考 ～ 原理と実験の両側面からW単結晶を陽電子生成用標的に使うことのメリットは？
加速器の収集系で捕獲可能な陽電子を増やす！
-☞ 低運動量の陽電子数増大▶ 8‐GeV電子ビームでは、1.2～1.3倍（cf. 9mmWc, 14mmWa）▶ 入射ビームが高エネルギーになるほど結晶の効果（大）⇒ チャネリング、コヒーレント制動放射、コヒーレント対生成-☞ 角度広がりを押さえる▶ 生成された陽電子の多重散乱小（結晶中は阻止能小）▶ 非結晶標的より薄くできれば

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つづき…

簡便である！

-☞ 基本的には、標的を単結晶に置き換えるだけ⇒ 装置の大幅な変更を必要しない-☞ 厚い単結晶標的ではロッキングカーブのピーク幅が広い⇒ ビーム軸を結晶軸にあわせるのが容易残された課題
標的の最適厚（単結晶標的、組み合わせ型標的）
熱負荷、放射線損傷
ロッキングカーブのピーク幅（→陽電子を増やすメカニズム？）
さらに高い入射エネルギーでは？ etc.

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今後
まず… KEK Bファクトリーでの使用の可能性を見極める
4-GeV Linacでの定量的なデータを獲得⇒ 2002年1月に実験予定
また、… リニアコライダーでの使用を念頭においてさらに高エネルギーでの実験（検討中）
諸課題（熱負荷etc.）の解明、克服
信頼のおけるシミュレーションコードの開発